淺析離心壓氣機葉輪高精度五軸數控加工技術

申通

摘要：作為離心壓氣機最為核心的構件之一，葉輪是一種較為復雜的曲面零件，并且壓氣機性能受其精度和設計的直接影響。伴隨科技的不斷進步，在船舶、機車等方面對葉輪的設計和轉速也有了更高的要求。文章就離心壓氣機的葉輪五軸數控加工工藝作為出發點，對葉輪的五軸數控加工誤差進行了規劃，并對加工試驗進行了一番探討，以期為我國離心壓氣機葉輪的五軸數控加工，提供可供參考的意見和建議。

關鍵詞：離心壓氣機葉輪五軸數控加工技術

1 離心壓氣機的葉輪五軸數控加工工藝分析

1.1 加工順序

1.1.1 粗加工流道：首先，因為流道中間很窄，而出口和進口部位很寬，因此，為提升加工的效率，在粗加工時可將流道分為三段，并在寬處和窄處分別使用直徑較大和較小的刀。其次，因為流道深度很大，所以在銑削時要分若干層來進行，并且對每層切削的深度進行控制。

1.1.2 精加工葉片曲面：為使加工質量得到保證，一定要對刀具切削特點加以考慮，加工時采用順銑方式。

1.1.3 精加工輪轂曲面：從入口進刀，按照由下至上的形式把流道按照流線方向進行加工。根據圖紙要求將軌跡之間的最大殘留高度的最大軌跡數得出。

1.2 加工方式及其刀具

1.2.1 加工方式。對葉輪不同曲面采用不同加工形式，對直紋面葉片使用側銑加工，對輪轂曲面使用端銑加工。

1.2.2 加工刀具。在進行葉輪數控加工時可采用多種刀具，運用較多的則為圓錐球頭銑刀、圓環面立銑刀、圓柱平底立銑刀、圓柱球頭銑刀，為使加工效率得到提升，也可使用一些特殊的銑刀對其加工。與此同時，根據被加工葉輪材料的不同，需使用不同的刀片材料，通常情況下這些刀片材料由硬質合金、高速鋼等材料制造而來。除此之外，對刀具參數進行合理選擇也非常重要。為使加工效率以及刀具剛度得到提升，可按照葉片流道大小的不同盡可能選取直徑大的粗加工銑刀。為使加工精度和刀具剛度得到提升，在對流道與葉片進行精加工時，可采取直徑相對小的球頭錐度立銑刀。

1.3 路徑生成方式 葉輪加工絕大多數時間都是被輪轂曲面粗加工占據了的，所以，對刀具路徑的生成形式進行合理設計，對提高葉輪加工效率的意義是重大的。粗加工輪轂曲面時，可使用不同刀具路徑生成形式。其中就包括外援等距生成形式、輪轂等距生成形式、等參數生成形式。等參數形式下的刀具路徑在加工時切削連續，但其加工效率低。另兩種形式加工效率則要高些，并且切削路徑的長度也比較短。

2 離心壓氣機的葉輪五軸數控的加工誤差分析

2.1 機床誤差 在機床運動中所形成的誤差便是機床誤差，就包括機床的熱變形和幾何誤差，以及伺服系統、插補器的跟隨誤差等。下面就插補誤差進行簡要介紹：依照理論而言，當刀具在相鄰兩刀位間運動時，刀心需走一條直線，假如不改變刀具的刀軸方向，而只有三軸聯動，這時刀心所走過的直線為同一條，但如若改變刀軸方向，那么此時盡管控制系統是進行的線性插補，但事實上刀心與工件所走的是曲線而非直線，于是便形成插補誤差。

2.2 工藝誤差 此項誤差主要是指讓刀誤差，它是在切削時，零件或刀具受到切削力而產生變形，最終導致加工誤差的形成，此變形包含零件變形和刀具變形。在加工葉輪時，因為兩片葉中間有寬度很小的通道，并且深度又很大，所以采用的刀具必須屬于細長型的，并且剛度還不能太大，不然極容易在加工時出現變形，進而造成刀具前后端出現讓刀量差異，它的最終結果便是導致葉片的根部型值產生改變。除此之外，由于葉輪葉片很薄，在進行加工處理時容易產生形變，進而對葉輪加工精度產生影響，導致實際加工型值與理論編程不一致。

2.3 側銑加工誤差 因為此葉輪的葉片曲面屬于不可展直紋面，但它又不同于可展直紋面的加工，因為它端點位置的兩法矢不相同，所以，使用側銑加工便會導致出現過切現象，此外，過切量受兩法矢和刀具半徑間夾角的影響。根據幾何理論可知，可展直紋面采用圓柱銑刀進行側銑加工時，它的接觸線屬于直線，假如是不可展直紋面，那么它的接觸線便是曲線，在加工時便會出現過切的情況。

2.4 其它加工誤差 其余形式的加工誤差，包括工件裝夾時形成的同軸度誤差及三維建模時產生的曲面模型逼近誤差等。

3 離心壓氣機的葉輪五軸數控的加工試驗

3.1 分析葉輪數控加工的工藝 伴隨三元流技術和計算機技術的發展應用，葉輪的葉片形狀愈發復雜，要想完成此項工作就必須使用五坐標數控加工。現以315mm直徑的分流長短葉片離心壓氣機的葉輪為例，它的數控加工工藝包括如下工序：

3.1.1 粗加工葉輪：對相鄰葉片間的流道進行分區、分層粗銑。

3.1.2 精加工和清根加工葉輪：葉型的清根加工和精加工都是在一次加工過程中完成的，它包含短葉片吸力面、短葉片壓力面、長葉片吸力面、長葉片壓力面精加工和輪轂曲面的精加工。

3.2 壓氣機葉輪的三維建模 在葉輪的數控程序中，使用曲面模型來生成刀具的軌跡，先對典型零件的葉輪實行曲面建模，然后按照求教算法和曲面等距，將葉輪刀位數據得出。在對葉輪零件實行曲面建模時，需遵循點到線到面的規則，然后再對幾何建模過程加以確定。①對旋轉曲面加以利用，使葉片曲面外的表面得以生成。②對樣條曲線命令加以利用，使直紋曲面的葉片準線得以生成。③對直紋曲面命令加以利用，使葉片曲面得以生成。④對陣列命令加以利用，使其它葉片得以生成，從而使葉輪曲面模型能夠保持完整。經由上述幾何建模過程對葉輪曲面模型加以繪制，在進行葉輪的加工仿真時使用零件實體模型，在進行曲面模型的建模時，經由布爾運算和曲面縫合等操作，便能使葉輪的實體模型得以生成。

3.3 葉輪數控加工的計算機仿真 要想確保葉輪數控的加工質量就必須保證生成刀具的軌跡是合理的。在數控加工復雜零件時，運用編程工具形成的加工程序在加工中有無過切，選用的刀具和工件有無彼此干涉，走刀線路合理與否等狀況都是編程人員不能事先預料到的。零件加工過程可通過刀位仿真來實現，并且它還能對刀位軌跡合理性進行檢查。在仿真之前需要先處理文件，確保刀位的格式要求與文件相符。

3.4 機床試切的加工試驗 為對刀具軌跡的生成算法和后處理算法準確性加以驗證，可使用石蠟模型來進行試加工實驗。首先，對加工坐標系進行選擇。因為壓氣機的葉輪關于回轉軸對稱，所以葉輪裝夾位置為C軸回轉軸和葉輪回轉軸同軸。如此一來，便只需對流道加工程序進行編寫，接著對C軸轉角度數的設置加以調整，如此便能將其他流道加工出來了。所以，在進行編程時，需選取葉輪回轉軸和Z軸同軸的坐標系。其次，刀位文件的后處理。在確保刀具路徑無誤之后便可對刀位文件實行后處理，并獲取數控程序。然后再對葉輪短葉片及其相鄰長葉片數控程序實行試切驗證。通過測量可知，加工出的葉輪與設計精度要求相符。結果表明，所提出方法在葉面質量和加工精度上都起到了一定的改善作用，同時也將五軸數控的優勢充分發揮出來了，從而使五軸數控機床加工的潛能得到了進一步提升。

4 結語

五軸數控加工作為數控加工中極為重要的研究方向，它也是制造領域非常重要的研究內容。通過以離心壓氣機的葉輪作為出發點，對五軸數控加工技術進行了一番研究。其研究內容包括：三維建模、后處理、工藝分析、誤差補償和分析。文中就其實現方式進行了大致論述，并在軟件基礎和實踐中對其算法的有效性和正確性進行了一番驗證。

參考文獻：

[1]賈偉斌.壓氣機葉輪五軸聯動數控加工技術的研究[J].內燃機車，2010，07:12-15+44+1.

[2]王秋鵬，劉宏利，顧天勝.壓氣機葉輪五軸聯動數控加工技術探析[J].新技術新工藝，2012，10:31-33.

[3]熊江.壓氣機葉輪五軸聯動數控加工技術[J].湖南農機，2013，

01:82-83.

[4]王福元.整體葉輪葉片型面數控電解精加工的若干關鍵技術研究[D].南京航空航天大學，2012.

[5]曾巧蕓.整體葉輪五軸數控加工刀具軌跡規劃與仿真[D].南京航空航天大學，2012.

[6]張劍.整體葉輪五軸數控銑削技術研究[D].湖南大學，2012.